Vi siete mai chiesti perché le saldature delle leghe di alluminio si incrinano nonostante una saldatura accurata? Questo articolo approfondisce i problemi principali come la porosità, le cricche a caldo e la diseguale resistenza dei giunti nella saldatura delle leghe di alluminio. Spiega i tipi di cricche, le loro cause e come l'elevata conduttività termica e l'attività chimica contribuiscano a questi problemi. La lettura vi permetterà di comprendere i meccanismi alla base di queste cricche e di scoprire strategie pratiche di prevenzione per migliorare i vostri risultati di saldatura.
Sebbene l'alluminio e le sue leghe siano ampiamente utilizzati per la saldatura di prodotti importanti, non sono privi di difficoltà nella produzione effettiva di saldatura. Alcuni dei problemi principali sono la porosità della saldatura, le cricche a caldo durante la saldatura e l'ottenimento di un'uguale resistenza del giunto.
Una delle ragioni di questi problemi è la forte attività chimica dell'alluminio e delle sue leghe, che rende la superficie molto incline alla formazione di pellicole di ossido, spesso refrattarie. Ad esempio, il punto di fusione dell'Al2O3 è di 2050 ℃, mentre il punto di fusione del MgO è di 2500 ℃. Inoltre, l'alluminio e le sue leghe hanno un'elevata conducibilità termica, che rende facile la non fusione durante la saldatura.
La pellicola di ossido, che ha una densità simile a quella dell'alluminio, può formare inclusioni nel metallo saldato. Inoltre, la pellicola di ossido meno densa con MgO può assorbire più acqua ed è spesso una causa significativa di porosità della saldatura. Inoltre, l'alluminio e le sue leghe hanno un grande coefficiente di espansione lineare e un'elevata conducibilità termica, che li rende inclini a deformarsi durante la saldatura.
Infine, l'articolo analizza le crepe relativamente gravi che si verificano durante i test.
Durante il processo di saldatura delle leghe di alluminio, possono comparire diverse cricche nella giunti saldati a causa delle differenze nei tipi, nelle proprietà e nelle strutture di saldatura dei materiali.
La forma e la distribuzione di queste fessure possono essere piuttosto complesse.
In base alla loro posizione, queste fessure possono essere suddivise in due tipi:
(1) Cricche nel metallo saldato: cricche longitudinali, cricche trasversali, cricche a cratere, cricche a capello o ad arco, cricche alla radice e microcricche (soprattutto nella saldatura multistrato).
(2) Crepe nella zona colpita dal calore: cricche del cordone di saldatura, cricche lamellari e microcricche termiche in prossimità della linea di fusione.
Le cricche generate durante la saldatura possono essere classificate in cricche a caldo e cricche a freddo. crepe freddein base all'intervallo di temperatura in cui si verificano.
Le cricche a caldo si verificano a temperature elevate durante la saldatura e sono principalmente causate dalla segregazione di elementi in lega sul bordo del grano o la presenza di materiali a basso punto di fusione.
La forma, l'intervallo di temperatura e le cause primarie di crepe calde variano a seconda dei materiali del metallo saldato.
Le crepe a caldo possono essere suddivise in tre tipi: fessure da cristallizzazione, fessure da liquefazione e fessure da poligonazione.
Le fessure da cristallizzazione si verificano principalmente durante la processo di saldatura ad alte temperature. In prossimità del solidus, il metallo solidificato si restringe, causando un'insufficiente quantità di metallo liquido residuo che non riesce a riempirsi in tempo, portando alla generazione di cricche.
La cricca intergranulare si verifica a causa di una sollecitazione di ritiro per solidificazione o di una forza esterna, principalmente nell'acciaio al carbonio, nelle saldature di acciai basso-legati e in alcuni tipi di acciaio. leghe di alluminio con più impurità.
Le cricche da liquefazione si verificano a causa dello stress da ritiro durante la solidificazione dei confini dei grani riscaldati ad alte temperature nella zona interessata dal calore.
Durante i test, si è scoperto che una pulizia insufficiente della superficie del materiale d'apporto comportava la presenza di inclusioni e pori nella saldatura dopo la saldatura. Nel test del numero di tre gruppi, poiché il materiale d'apporto per la saldatura è una struttura fusa e l'inclusione è un materiale ad alto punto di fusione, rimane nella saldatura dopo la saldatura.
La struttura della colata è relativamente rada, con molti fori, il che rende facile l'assorbimento di componenti contenenti acqua cristallina e olio di qualità. Questi fattori possono causare porosità durante la saldatura e le inclusioni e i pori diventano parti fondamentali che inducono microcricche quando la saldatura è sottoposta a sforzi di trazione.
Ulteriori osservazioni al microscopio hanno rivelato un'interazione tra queste inclusioni e le microfratture indotte dai pori. Tuttavia, è difficile stabilire se le inclusioni agiscano principalmente come fonte di concentrazione di stress per indurre cricche o come fase fragile per indurre cricche.
Inoltre, è opinione diffusa che la porosità nelle saldature di leghe di alluminio e magnesio non influisca significativamente sulla resistenza a trazione della saldatura. Tuttavia, questo studio ha rilevato microcricche indotte da inclusioni e porosità nei campioni di saldatura a trazione contemporaneamente.
È necessario studiare ulteriormente se le microcricche indotte dai pori siano un fenomeno secondario associato o uno dei fattori primari che causano un calo significativo della resistenza alla trazione delle saldature.
Attualmente, la teoria della saldatura delle cricche calde, proposta da Prokhorov sia a livello nazionale che internazionale, è considerata molto raffinata.
In sintesi, la teoria suggerisce che la generazione di cricche cristalline dipende principalmente dai seguenti tre fattori:
L'ampiezza dell'intervallo di temperatura fragile e il valore di duttilità all'interno di questo intervallo sono comunemente definiti fattori metallurgici che possono produrre cricche calde di saldatura, mentre il tasso di deformazione del metallo all'interno dell'intervallo di temperatura fragile è noto come fattore meccanico.
Il processo di saldatura comporta una serie di procedure tecnologiche non equilibrate. Questa caratteristica è strettamente legata ai fattori metallurgici e meccanici della frattura del metallo nei giunti saldati, come l'eterogeneità fisica, chimica e organizzativa, le scorie e le inclusioni, gli elementi gassosi e i vuoti con concentrazioni supersature dei prodotti dei processi tecnologici e metallurgici di saldatura.
Tutti questi fattori sono strettamente correlati all'innesco e allo sviluppo delle cricche in metallurgia.
Per quanto riguarda i fattori meccanici, il gradiente di temperatura specifico e la velocità di raffreddamento del ciclo termico di saldatura può far sì che il giunto saldato si trovi in uno stato di sollecitazione-deformazione complesso in determinate condizioni di vincolo, che fornisce le condizioni necessarie per l'innesco e lo sviluppo di cricche.
Durante il processo di saldatura, l'effetto combinato di fattori metallurgici e meccanici può rafforzare o indebolire la connessione metallica in due modi.
Se durante il raffreddamento si stabilisce una forte connessione nel metallo del giunto saldato, la deformazione può rimanere obbediente in determinate condizioni di vincolo rigido. Quando la saldatura e il metallo vicino alla giunzione sono in grado di resistere alle sollecitazioni di vincolo esterne e alle sollecitazioni interne, la deformazione può rimanere obbediente. sollecitazione residuaLa sensibilità del metallo alle cricche è bassa.
D'altra parte, se la sollecitazione non può essere sopportata, è più probabile che la connessione di resistenza nel metallo si interrompa, dando luogo a cricche. In questo caso, la sensibilità alle cricche del metallo del giunto di saldatura è elevata.
Il metallo del giunto di saldatura viene raffreddato a temperatura ambiente a una certa velocità dalla temperatura di solidificazione della cristallizzazione. La sensibilità alle cricche dipende dal confronto tra capacità di deformazione e deformazione applicata, nonché dal confronto tra resistenza alla deformazione e sollecitazione applicata.
Tuttavia, durante il processo di raffreddamento, le diverse fasi di temperatura possono determinare una diversa resistenza intergranulare e crescita della resistenza dei grani, una diversa distribuzione della deformazione tra i grani e all'interno di essi, un diverso comportamento di diffusione indotto dalla deformazione, diverse condizioni di concentrazione delle tensioni e fattori che portano all'infragilimento del metallo. Questi fattori possono causare diversi anelli deboli specifici nei giunti saldati e il grado di indebolimento può variare.
L'insorgenza di cricche nel metallo del giunto di saldatura è strettamente legata a fattori sia metallurgici che meccanici.
Il gradiente di sollecitazione nei fattori meccanici è legato al gradiente di temperatura, che è determinato dalle caratteristiche del ciclo termico. La conducibilità termica del metallo determina le caratteristiche del ciclo termico, che sono considerate fattori metallurgici. Questi includono le caratteristiche di cambiamento termoplastico del metallo, l'espansione termica e la trasformazione strutturale.
Lo stato di tensione-deformazione del metallo del giunto saldato è fortemente influenzato da fattori metallurgici e meccanici. Inoltre, questi fattori subiscono variazioni al diminuire della temperatura e al variare della velocità di raffreddamento.
I diversi intervalli di temperatura influenzano la resistenza del giunto saldato metallo in modo diverso. Ad esempio, l'ampio intervallo di temperatura di cristallizzazione e la bassa temperatura di solidificazione possono causare la concentrazione di tensioni nel metallo liquido residuo a bassa fusione tra i grani, con conseguente formazione di cricche nel metallo solido. Analogamente, se il ritiro è elevato, soprattutto in condizioni di raffreddamento rapido, è probabile che si verifichino cricche quando il tasso di deformazione da ritiro è elevato e lo stato di tensione-deformazione è rigido.
Durante la fase successiva della solidificazione e della cristallizzazione del metallo saldato durante la lavorazione dell'alluminio saldatura in legaL'eutettico viene compresso al centro dell'intersezione cristallina per formare un "film liquido". A questo punto, a causa del forte ritiro durante il raffreddamento, il ritiro libero non è disponibile per generare una grande tensione di trazione. Di conseguenza, il film liquido forma un anello debole, che può rompersi nella zona debole sotto l'effetto della tensione di trazione.
Per studiare l'insorgenza di cricche a caldo nella saldatura delle leghe di alluminio, il processo di cristallizzazione del bagno di saldatura viene classificato in tre fasi.
La prima fase è quella liquido-solida, durante la quale esiste un piccolo numero di nuclei cristallini quando il bagno fuso di saldatura inizia a raffreddarsi da una temperatura elevata. Con l'abbassamento della temperatura e il prolungamento del tempo di raffreddamento, i nuclei cristallini crescono gradualmente e ne emergono di nuovi.
Tuttavia, la fase liquida è ancora predominante e non c'è contatto tra grani adiacenti, il che consente il libero flusso della lega di alluminio liquida non ancora solidificata. Pertanto, anche sotto sforzo di trazione, eventuali spazi aperti possono essere prontamente riempiti dal metallo liquido che scorre, rendendo molto bassa la probabilità di cricche in questa fase.
Il secondo stadio è quello solido-liquido. In questo caso, la fase solida nel pool fuso continua ad aumentare con il progredire della cristallizzazione e i nuclei cristallini precedentemente formati continuano a crescere.
Quando la temperatura scende a un certo punto, i cristalli metallici di lega di alluminio solidificati entrano in contatto tra loro e rotolano continuamente. A questo punto, il flusso della lega di alluminio liquida viene bloccato e la cristallizzazione del pool fuso entra nella fase solido-liquida.
A causa della piccola quantità di metallo liquido in lega di alluminio, la deformazione del cristallo stesso può essere fortemente sviluppata in questa fase e la fase liquida residua tra i cristalli non è facile da far scorrere.
I piccoli spazi vuoti generati dalle sollecitazioni di trazione non possono essere riempiti e anche una piccola sollecitazione di trazione può portare alla possibilità di crepe. Questa fase è nota come "zona di temperatura fragile".
Il terzo stadio è quello della solidificazione completa. Quando la saldatura formata dopo la completa solidificazione del metallo fuso viene sottoposta a trazione, mostra una buona resistenza e plasticità e la probabilità di cricche in questa fase è relativamente bassa.
Pertanto, quando la temperatura è superiore o inferiore alla zona di temperatura di fragilità tra a-b, il metallo saldato presenta una maggiore resistenza alle cricche cristalline e una minore tendenza alle cricche. In generale, per i metalli con un minor numero di impurità (compresi metallo base e materiali di saldatura), l'intervallo di temperatura di fragilità è ristretto.
La sollecitazione di trazione agisce in questo intervallo per un breve periodo di tempo, quindi la sollecitazione totale della saldatura è relativamente piccola, con conseguente minore tendenza alla formazione di cricche durante la saldatura.
Tuttavia, se nella saldatura sono presenti molte impurità, l'intervallo di temperatura di fragilità è relativamente ampio e il tempo di azione della tensione di trazione in questo intervallo è relativamente lungo, con una maggiore tendenza a produrre cricche.
Per ridurre la probabilità di cricche a caldo nella saldatura delle leghe di alluminio, è possibile apportare miglioramenti attraverso due aspetti: fattori metallurgici e fattori tecnologici.
Per quanto riguarda i fattori metallurgici, la prevenzione delle cricche calde intergranulari durante la saldatura comporta la regolazione del sistema di leghe di saldatura o l'aggiunta di modificatori al metallo d'apporto.
Per controllare un'adeguata quantità di eutettico fusibile e restringere l'intervallo di temperatura di cristallizzazione dal punto di vista della resistenza alle cricche, è necessario regolare il focus del sistema di lega di saldatura.
Poiché la lega di alluminio è una tipica lega eutettica, l'intervallo di temperatura "massima" di solidificazione della lega corrisponde alla massima tendenza alla cricca.
La presenza di una piccola quantità di eutettico fusibile aumenta sempre la tendenza alla cricca di solidificazione. Per contrastare questo fenomeno, il contenuto degli elementi principali della lega viene tipicamente aumentato oltre il componente della lega con la massima tendenza alla cricca, per produrre un effetto di "guarigione".
Inoltre, al metallo d'apporto vengono aggiunti oligoelementi come Ti, Zr, V e B come modificatori nel tentativo di migliorare la plasticità e la tenacità affinando i grani e prevenendo le cricche calde di saldatura. Questo tentativo è in corso da tempo e ha dato risultati positivi.
La Figura 3 mostra i risultati del test di resistenza alle cricche del filo di saldatura Al-4.5% Mg con un modificatore in condizioni di giro rigido. saldatura a filetto. Il test prevedeva l'aggiunta di 0,15% Zr e 0,1% Ti+B. I risultati indicano che l'aggiunta simultanea di Ti e B ha migliorato significativamente la resistenza alle cricche.
Ti, Zr, V, B e Ta hanno in comune la possibilità di reagire con l'alluminio per formare una serie di reazioni peritettoniche che portano alla formazione di composti metallici refrattari come Al3Ti, Al3Zr, Al7V, AlB2, Al3Ta, ecc.
Queste piccole particelle refrattarie possono agire come nuclei cristallini a solidificazione non spontanea durante il processo di solidificazione del metallo liquido, facilitando così l'affinamento dei grani.
Fattori di processo come le specifiche di saldatura, il preriscaldamento, la forma del giunto e la sequenza di saldatura sono cruciali per risolvere le cricche di saldatura, che si basano sulle sollecitazioni di saldatura. I parametri del processo di saldatura influiscono sul non equilibrio del processo di solidificazione e sullo stato della struttura di solidificazione, nonché sul tasso di crescita delle deformazioni durante la solidificazione, influenzando così la formazione di cricche.
Metodi di saldatura che impiegano energia termica concentrata facilitano una saldatura rapida e possono prevenire la formazione di cristalli colonnari grossolani con forte direttività, migliorando così la resistenza alle cricche.
Ridurre il velocità di saldatura e l'impiego di una corrente di saldatura ridotta possono ridurre il surriscaldamento del bagno fuso e migliorare la resistenza alle cricche. L'aumento della velocità di saldatura, tuttavia, aumenta il tasso di deformazione dei giunti saldati e la tendenza alla cricca a caldo. Pertanto, è evidente che l'aumento della velocità di saldatura e della corrente di saldatura aumenta la tendenza alla cricca.
Durante l'assemblaggio e la saldatura dell'alluminio strutture, la saldatura non è molto rigida. Per questo motivo, si possono adottare misure come la saldatura in sezione, il preriscaldamento o la riduzione della velocità di saldatura.
Il preriscaldamento può ridurre l'espansione relativa del provino e di conseguenza diminuire le sollecitazioni di saldatura, riducendo le sollecitazioni nell'intervallo di temperatura di fragilità. Saldatura di testa Si devono utilizzare il più possibile scanalature e piccoli spazi vuoti, evitando giunzioni incrociate, posizionamenti impropri e sequenze di saldatura. Quando la saldatura viene completata o interrotta, il cratere deve essere immediatamente riempito e la fonte di calore rimossa, altrimenti è facile che si verifichino cricche nel cratere.
Durante la saldatura di giunti multistrato di leghe della serie 5000, si verificano spesso microcricche dovute alla fusione intergranulare locale, che rendono necessario il controllo del processo di saldatura. calore di saldatura ingresso del successivo strato di cordone di saldatura.
In base ai risultati di questo lavoro, la pulizia della superficie del metallo base e del materiale d'apporto è fondamentale per la saldatura delle leghe di alluminio. Le inclusioni di materiale diventano la fonte di cricche nella saldatura e la ragione principale del declino delle prestazioni della saldatura.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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